埃达克岩与热液成矿过程中钾镁同位素分馏及其指示意义:以驱龙斑岩铜矿床为例

Potassium and magnesium isotope fractionation during magmatic differentiation and hydrothermal processes in post-collisional adakitic rocks and its indicative significance: A case study of the Qulong porphyry copper deposit, southern Tibet

摘要

为研究后碰撞埃达克质岩岩浆分异和热液过程中的钾镁同位素分馏行为及其对斑岩铜矿床岩石成因的指示意义,本文对藏南驱龙斑岩铜矿床的一套埃达克质岩石开展了钾镁同位素分析。该套岩石包括闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩,后者是超大型斑岩铜矿床的成矿母岩。已有研究结果证实,这3套岩石很可能是由同一来源的不同程度的部分熔融和分离结晶作用形成的。研究结果表明,闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩的δ⁴¹K组成分别为-0.38‰~-0.22‰、-0.43‰~-0.34‰和-0.59‰~-0.36‰。尽管3类岩石各自变化范围较小,但整体上δ⁴¹K与K₂O和SiO₂含量呈现明显负相关趋势,表明全岩钾元素迁移和钾同位素发生了解耦,钾同位素产生了分馏。在闪长质包体-花岗闪长岩演化期间,δ⁴¹K与Sc和Y含量呈明显正相关关系,这指示了在该演化期间可能主要是角闪石分离结晶导致了钾同位素分馏。相比之下,花岗斑岩中具有明显的钾同位素组成变化,在花岗斑岩演化期间,δ⁴¹K与Eu/Eu^*和Sr含量呈正相关关系,表明在岩石演化晚期钾同位素的分馏可能主要跟斜长石分离结晶有关。然而,通过瑞利分馏模拟表明仅矿物分离结晶难以实现如此大的钾同位素分馏,花岗斑岩中的钾同位素分馏是岩浆热液共同作用的结果。值得注意的是,闪长质包体具有比地幔更重的钾同位素组成,导致这种现象的原因可能是复杂多样的:一方面,下地壳可能具有比地幔更重的钾同位素组成,岩浆混合机制下导致源区具有重钾同位素组成;另一方面,驱龙斑岩铜矿床的岩浆源区受到俯冲板片来源的富重钾流体/熔体所交代,导致其源区的钾同位素组成偏重。相比之下,这3类岩石的镁同位素组成比较类似(闪长质包体:-0.36‰~-0.19‰;花岗闪长岩:-0.28‰~-0.13‰;花岗斑岩:-0.44‰~-0.13‰),并且落在了地幔和下地壳范围内。这3类岩石的δ²⁶Mg跟MgO和SiO₂含量之间不存在相关性,表明埃达克质岩浆分异过程中(角闪石和黑云母)也不产生镁同位素分馏,与前人对花岗岩中镁同位素分馏行为的结论相一致。作为典型的热液型矿床,藏南驱龙斑岩铜矿床和江西德兴斑岩铜矿床在热液蚀变过程中均产生了钾镁同位素分馏。德兴斑岩铜矿床大部分蚀变岩的钾镁同位素值都高于新鲜岩浆岩,具有显著的钾镁同位素组成变化;相比之下,驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石的钾镁同位素组成大部分位于岩浆岩基线值范围内,受热液蚀变作用影响不显著。此外,驱龙斑岩铜矿床花岗斑岩中铜大量富集,岩浆热液流体出溶是导致铜大量富集的主要原因,可能至少有两种不同性质(温度、盐度)的热液流体导致花岗斑岩中钾镁同位素组成局部波动变化,这些流体不仅改变了花岗岩斑岩的钾镁同位素组成,并且从高度演化的岩浆中提取金属元素,最终导致铜成矿。

关键词

驱龙斑岩铜矿床 / 埃达克质岩石 / 钾镁同位素 / 同位素分馏 / 岩浆热液流体出溶

Key words

Qulong porphyry copper deposit / adakitic rocks / potassium and magnesium isotopes / isotope fractionation / exsolution of magmatic hydrothermal fluid

0 引言

钾(K)是一种碱金属元素,具有3种同位素(³⁹K、⁴⁰K和⁴¹K),其中³⁹K(93.258 1%)和⁴¹K(6.730 2%)为稳定同位素^[1-2],两个主要稳定同位素间的相对质量差高达5%,使得钾同位素在不同的地质过程中会产生较大的分馏^[3-4],可用于指示不同地质演化过程。值得注意的是,钾具有流体活动性,在化学风化、流体交代、热液蚀变过程中容易进入流体并发生运移^[5-6]。近年来,钾同位素测量的精度已提高到优于0.06‰^[7-8]。在不同地质储库中具有不同的钾同位素组成^[9-10],这种性质使得钾同位素可以广泛应用于示踪物质源区。目前,关于钾同位素分馏行为的研究日渐增多,前人在长英质岩浆分异过程中检测到不同矿物之间存在较大程度的钾同位素分馏^[11⇓-13]。尤其是对单矿物中钾同位素组成的测定时发现^[11],由于键长和配位数的不同,矿物之间存在较大程度的钾同位素分馏,钾同位素已成为岩浆分化过程中斜长石分离结晶的新示踪剂^[11,13]。然而,埃达克岩中的钾同位素分馏行为尚未得到很好的揭示。相较于钾同位素,镁(Mg)同位素地球化学研究程度显著更高。镁有²⁴Mg、²⁵Mg和²⁶Mg 3种稳定同位素^[14-15],丰度分别为78.99%、10.00%和11.01%,其中²⁶Mg和²⁴Mg相对质量差较大,高达8.33%。前人研究^[16⇓-18]认为,镁同位素在高温部分熔融、玄武岩浆结晶分异、花岗岩浆结晶分异以及变质作用等高温岩浆作用过程中不会发生显著的分馏现象,在追踪岩石成因、示踪陆俯冲带流体来源、区分复杂热液体系中不同性质的流体、金属成矿等应用上具有巨大潜力。

位于青藏高原东南缘的驱龙超大型斑岩铜矿床,是碰撞造山环境下形成斑岩铜矿带的典型代表,其铜资源量高达1 036万吨,位居中国之最^[19-20],其形成与一系列EW向产出的后碰撞(中新世)侵入岩有关,因这些斑岩具有埃达克岩的亲和性,其成因引起了更加广泛的关注。众多学者提出了不同的岩石成因模式:板片起源熔体交代的上地幔的部分熔融^[21-22]、古老^[23]或新生^[24-25]抑或俯冲改造^[26]下地壳的部分熔融。含铜斑岩岩浆的起源及演化过程仍处于争论之中。

前人选取了藏南驱龙铜矿床一套后碰撞埃达克属性的花岗质岩石^[27],进行了主微量和Li-Pb-Sr-Nd同位素分析。该套岩石样品包括闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩,其中花岗斑岩是超大型斑岩铜矿床的成矿母岩。研究结果表明,这3套岩石很可能是由同一来源的不同程度的部分熔融和分离结晶作用形成的,锂同位素在岩石演化过程中不发生明显分馏,而花岗斑岩中热液流体作用不仅改变了锂同位素组成并诱导了金属成矿。然而,目前埃达克岩岩浆分异和热液过程中的钾镁同位素分馏行为仍不清楚,其对岩石成因及演化机制的指示意义也尚未得到很好的理解和揭示。因此,在前人研究基础上,鉴于钾镁同位素在追踪岩浆-热液过程中金属成矿物质来源与区分复杂热液体系中不同性质的地质流体的显著优势,本文就西藏驱龙地区同一套埃达克质岩进行钾镁同位素研究,一方面揭示后碰撞埃达克质岩岩浆分化和热液过程中的钾镁同位素行为,另一方面为藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩的演化过程及金属富集机制提供新的约束。

1 地质背景及样品

1.1 区域地质背景

驱龙斑岩铜钼矿床位于西藏陆陆碰撞造山带拉萨地体东南缘的冈底斯岩浆带内,大地构造背景处于班公—怒江缝合带(BNS)与印度河—雅鲁藏布江缝合带(IYS)之间的冈底斯构造-岩浆东段^[28⇓-30]。前人研究表明,冈底斯岩浆带至少可以识别出4个时期的岩浆活动,分别为晚三叠世—晚侏罗世(205~152 Ma)、晚白垩世(120~80 Ma)、古新世—始新世(65~41 Ma)和渐新世—中新世(33~13 Ma)^[31-32],其中与铜钼矿化密切相关的主要为渐新世—中新世(碰撞后期)构造转换-伸展阶段的岩浆活动^[33-34]。在后碰撞(25~0 Ma)过程中,印度大陆板片的持续俯冲/撕裂断离^[35-36],导致深部构造层次的物质流动和浅部构造层次的地壳伸展,在正向碰撞带(冈底斯)形成一系列近NS向中新世正断层系统^[37-38]和近EW向展布的中新世后碰撞钾质超钾质岩浆岩带^[19,39-40]。

伴随后碰撞岩浆活动,冈底斯岩浆带区域内发育了大量的晚三叠世—白垩纪冈底斯岩基、林子宗火山岩序列以及少量的侏罗纪—白垩纪花岗岩,局部可见渐新世—中新世钾质-超钾质岩浆岩和具埃达克岩特征的花岗斑岩侵入体^[19,41]。驱龙斑岩型铜钼矿床是迄今为止国内发现的最大单矿体斑岩型铜钼矿床(图1),矿床铜的总资源量>10 Mt,钼>0.5 Mt,超过江西德兴铜矿(5 Mt)与藏东玉龙铜矿(6.5 Mt),在世界级斑岩铜矿(>10 Mt)行列中也名列前茅^[42-43]。

1.2 矿区地质与样品特征

1.2.1 矿区地质

驱龙斑岩铜矿床位于拉萨地体南缘的墨竹工卡县境内,拉萨以东50 km(图1a)。驱龙矿区地质框架相对简单,矿区出露地层主要有中侏罗统叶巴组火山-沉积岩、中新世荣木错拉复式岩体和第四纪沉积物,占矿区总露头面积90%以上(图1b)。驱龙铜钼矿床中新世的二长花岗岩-花岗闪长岩为主要矿体,约占矿床全部铜矿物的70%^[25],矿体在空间上呈近垂直展布(图1c),发育大型(4×8 km²)热液蚀变成矿带,其中主要矿化蚀变有钾长石化、黑云母化、硅化、绢云母化,局部见黏土化^[25,44],驱龙矿床矿化体多位于钾硅酸盐化蚀变带内。

1.2.2 样品特征

本研究以藏南驱龙斑岩铜矿床3套埃达克质岩为研究对象,包括来自露头的8件闪长质包体和9件花岗闪长岩以及来自钻孔(ZK601和ZK001)(图1b,c)的11件花岗斑岩。根据SHRIMP/LA-ICPMS锆石U-Pb测年,闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩的年龄分别为22.2 Ma、19.5 Ma和17 Ma^[45]。

闪长质包体赋存于花岗闪长岩中,大多呈椭球状,长轴变化于几cm到几十cm,发育斑状结构,斑晶主要由长石、角闪石(体积分数为7%~23%)和黑云母(体积分数为2%~13%)组成(图2a);花岗闪长岩以中粗粒花岗结构为主(图2b),主要由长石、石英及少量角闪石(质量分数为6%~15%) 、黑云母 (质量分数为1%~7%) 组成;花岗斑岩发育斑状结构,斑晶含量约占总体的25%~40%,斑晶主要由斜长石、石英和钾长石以及少量的黑云母组成,一些长石斑晶经历了明显的蚀变(图2c,d)。闪长质包体、花岗闪长岩、花岗斑岩空间上密切共生,三者成岩时代相近,均显示钙碱性系列、钾玄岩系列、超钾系列,以高K为特征,亦具有典型的埃达克岩特征,富集轻稀土元素LREE和大离子亲石元素LILE(Ba-Rb-Th-U-Pb-K-Sr),亏损高场强元素HFSE(Nb-Ta-Ti-P),HREE含量高且分布平缓,缺乏明显的负Eu异常^[27]。

2 分析方法

本研究中岩石样品钾镁同位素的化学前处理和分析测试均在美国华盛顿大学(西雅图)同位素实验室完成,其样品溶解、化学分离分析测试流程与本实验室已发表文章方法类似^{[9,46⇓⇓-49]}。具体步骤为:(1)分别称取3~16 mg和3~20 mg和全岩粉末于特氟龙溶样瓶中,依次加入Optima级HF-HNO₃、HCl-HNO₃和HNO₃对样品进行消解;(2)采用0.5 N HNO₃作为洗脱剂,在阳离子交换树脂(Bio-Rad AG 50W-X8,200~400目)填充的聚丙烯交换柱进行钾的化学分离和纯化则,重复淋洗两次以有效去除基质元素,镁则使用阳离子交换树脂(Bio-Rad AG 50W-X8,200~400目)填充的玻璃交换柱,采用1 N HNO₃重复淋洗两次以有效去除基质元素;(3)然后,将所得的纯K溶液和纯Mg溶液蒸干后,再用Optima级3% HNO₃进行定溶。K和Mg同位素比值均使用标准-样品法(SSB)在Nu Plasma II MC-ICP-MS下进行测试,K同位素采用高分辨率模式,Mg同位素则采用低分辨率模式。为了确保钾同位素数据的准确性,选取BHVO-1、AGV-1、G-2和GSP-1作为标样,并将标样(BHVO-1、AGV-1、G-2和GSP-1)与样品一起过柱和测量,BHVO-1、AGV-1、G-2和GSP-1的δ⁴¹K值分别为-0.44‰±0.10‰(2 SD,n=1)、-0.47‰±0.01‰(2 SD,n=3)、-0.45‰±0.05‰(2 SD,n=4)和-0.46‰±0.04‰(2 SD,n=3),与已报道值在误差范围内一致(BHVO-1为-0.43‰±0.05‰^[50];AGV-1为-0.44‰±0.03‰^[51];G-2为-0.45‰±0.06‰^[50];GSP-1为-0.44‰±0.05‰^[52])。同时,将标样San Carlos橄榄石、Hawaiian海水、BR、W-1与测试样品也进行相同化学处理流程以测试镁同位素组成。San Carlos橄榄石、Hawaiian海水的δ²⁶Mg平均值分别为-0.26‰±0.05‰(2 SD,n=4)、-0.83‰±0.02‰(2 SD,n=6),与已报道值在误差范围内一致(San Carlos橄榄石为-0.24‰±0.04‰^[53];Hawaiian海水为-0.83‰±0.09‰^[54])。BR、W-1的δ²⁶Mg值分别为-0.42‰±0.07‰(2 SD,n=3)、-0.21‰±0.07‰(2 SD,n=3),与已报道值在误差范围内一致(BR为-0.41‰±0.09‰^[54];W-1为-0.16‰±0.08‰^[54])。

3 分析结果

藏南驱龙铜矿床闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩钾镁同位素组成及相关主量和微量元素数据分别见表1和表2。闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩δ⁴¹K值呈现逐渐递减的趋势,分别-0.38‰~-0.22‰、-0.43‰~-0.34‰和-0.59‰~-0.36‰,整体上高于全硅酸盐地球的δ⁴¹K值(-0.51‰)^[55],δ⁴¹K与SiO₂和K₂O含量呈现明显负相关趋势(图3a,b)。值得注意的是,闪长质包体δ⁴¹K组成高于地幔平均值^[9](δ⁴¹K=-0.42‰±0.08‰)(图3a,b)。闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩δ²⁶Mg值分别为-0.36‰~-0.19‰、-0.28‰~-0.13‰和-0.44‰~-0.13‰,与前人研究的中国中部大别造山带I型花岗岩δ²⁶Mg组成非常接近^[16](图3c,d)。其中,大部分岩石样品δ²⁶Mg组成位于地幔值范围内(δ²⁶Mg=-0.25‰±0.07‰)^[56-57],而部分花岗斑岩样品的δ²⁶Mg组成变化范围较大(图3c,d)。

4 讨论

4.1 地表风化与动力学分馏

在地表风化作用下,重钾同位素优先释放到水圈,轻钾同位素在风化产物中富集;相反,在地表风化作用下,重镁同位素倾向残留在风化产物中而轻镁同位素倾向进入水圈^[57-58]。因此,地表风化会导致花岗岩的钾镁同位素显著分馏^[59⇓-61]。

本次研究所采集的3套岩石样品均为未经地表风化的新鲜岩石,尽管花岗斑岩中存在热液蚀变,但它采集于地表以下230~470 m深处的钻孔之中,也未经地表风化,这得到了蚀变指数(CIA)和烧失量(w(LOI))两个指标的支持(表2)。本次研究的3套岩石样品均具有低的烧矢量(w(LOI)=0.30%~2.80%)和低的化学蚀变指数^[27](CIA=44~51.6,平均值为47.54),表明样品确实未发生地表风化作用。尽管δ⁴¹K与CIA呈现负相关关系(图4a),然而,此负相关性不能直接归因于地表风化作用对钾同位素分馏的影响。在驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石演化过程中,随着斜长石等矿物分离结晶,CaO逐渐降低^[62],导致CIA逐渐升高,从而与δ⁴¹K呈现负相关关系(图4a)。因此,这种负相关关系实际上是暗示了岩石演化过程中矿物分离结晶对钾同位素的影响(见4.2节)。此外,δ²⁶Mg与CIA无明显相关性,再次表明地表风化对钾镁同位素的影响是有限的(图4b)。

元素扩散过程可能伴随显著的同位素分馏,如伟晶岩体和寄主岩石之间系统的锂同位素变化^[63-64]。然而,前人研究^[27]表明,藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石样品中锂同位素未发生明显扩散现象。相比之下,钾镁具有比锂更大的离子半径,则扩散速率相对锂更为缓慢,因此,笔者认为动力学分馏不能解释藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石样品的钾镁同位素组成变化。

4.2 矿物分离结晶

矿物在分离结晶过程中严格受键强和配位数的影响,较重的同位素倾向于在键强、配位数较低的相中富集^[65]。藏南驱龙斑岩埃达克质岩岩石样品为同一源区不同阶段的演化产物,岩石演化过程中经历了黑云母、角闪石、斜长石和石英等矿物的分离结晶^[27],这可能会导致岩石样品中钾镁同位素分馏。

前人在对花岗岩全岩钾同位素进行测定时发现,花岗岩演化过程中钾同位素分馏十分有限^[66]。然而,花岗岩中钾同位素分馏在全岩中难以测定还存在两种可能:一是富集重钾的矿物和富集轻钾的矿物同时结晶,然后相互抵消,对演化岩浆中钾同位素组成进行了调节。二是硅质岩浆浓度的增加使结晶矿物与熔体分离困难,特别是当富钾矿物与残余熔体之间密度相当时,无法使结晶矿物与熔体分离。因此,我们通常在测定单矿物时观察到钾同位素分馏,而在测全岩样品时观察到的钾同位素分馏很小^[11]。目前,钾同位素测量的精度已提高到优于0.06‰^{[9⇓⇓⇓-13]},长英质岩浆分异过程中检测到不同矿物之间存在较大程度的钾同位素分馏^{[9⇓⇓⇓-13]}。尤其是对单矿物中钾同位素组成测定时发现^[11],由于键长和配位数的不同,不同矿物之间存在较大程度的钾同位素分馏。

钾在斜长石和角闪石中的配位数分别为7和6^[67-68],并且两者富含重钾同位素^{[9⇓⇓⇓-13]}。因此,岩石演化过程中若角闪石和斜长石分离结晶,可以导致钾同位素分馏^{[9⇓⇓⇓-13]}。本次研究采集的3套岩石样品中δ⁴¹K与K₂O、SiO₂含量呈现明显负相关关系(图3a,b),表明在岩石演化过程中全岩钾元素迁移与钾同位素发生了解耦,矿物分离结晶过程中钾同位素产生了分馏。闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩的δ⁴¹K组成变化分别为:-0.38‰~-0.22‰、-0.43‰~-0.34‰和-0.59‰~-0.36‰,岩浆演化后期花岗斑岩的钾同位素分馏显著大于前两套岩石样品(图3a,b),这可能跟不同矿物分离结晶有关(图5)。闪长质包体-花岗闪长岩演化期间,Sc、Y含量逐渐减小,同时Sc、Y含量与δ⁴¹K呈明显正相关关系(图5a,b),这表明可能是角闪石分离结晶导致了该演化期间的钾同位素分馏(图5a,b);而花岗斑岩演化期间,Eu/Eu^*、Sr含量逐渐减小,并且Eu/Eu^*、Sr含量与δ⁴¹K也呈明显正相关关系,表明在演化后期可能是以斜长石为主导的分离结晶导致了钾同位素分馏(图5c,d)。最近在单矿物的钾同位素研究中发现^[11],长石与其他造岩矿物共存时(如钾长石、角闪石和云母),(Na+Ca)/K的K—O键长减少,斜长石的δ⁴¹K会变得更重,矿物中富集δ⁴¹K的顺序为:斜长石>角闪石>黑云母>钾长石>白云母^[11]。因此,驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石演化后期,斜长石分离结晶可能导致了钾同位素更显著的分馏。为了进一步评估矿物分离结晶是否能解释驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石中的钾同位素分馏,我们使用以下瑞利分馏方程进行模拟评估。

(1)

C_melt=C₀×(1-F)^1/D-1

(2)

δ⁴¹K_melt=(δ⁴¹K_{initial melt}+1 000)×f^α-1-1 000

式中:D为体积分配系数;C₀为初始岩浆中K含量; f为固体残留物中剩余K的质量分数,%;F为熔体中K的质量分数,%;α为分馏系数。

在驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石样品的主要含钾矿物斜长石、角闪石中,斜长石具有更重钾同位素组成^{[9⇓⇓⇓-13]},因此,我们使用分馏程度最大的斜长石进行最大化模拟,评估驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石样品中矿物分离结晶可以产生的最大钾同位素分馏(图6)。实验研究表明,熔体和矿物之间的体积钾平衡同位素分馏系数α为0.999 8~1.000 5^[12],对应于δ⁴¹K=-0.15‰~0.5‰的矿物熔体。在这些假设下,我们参照前人实验^[12],以闪长质包体中δ⁴¹K最高的样品QL10-4-9-1作为初始成分,选取了最佳的体积分配系数D=0.15,分馏系数α则分别采用1.000 3、1.000 35和1.000 5进行模拟计算。模拟结果显示,当α=1.000 5,D=0.15,δ⁴¹K=-0.22‰~-0.43‰,分离结晶程度大约为50%~55%时,可以大致拟合闪长质包体和花岗闪长岩中的钾同位素变化(图6)。然而,花岗斑岩中的钾同位素变化明显偏离模拟曲线,表明仅矿物分离结晶难以产生花岗斑岩中如此大的钾同位素分馏,花岗斑岩中钾同位素分馏可能是岩浆-热液相互作用的结果。

前人研究表明,花岗岩岩浆分异过程中,角闪石和黑云母中结合到O的Mg的配位数是相同的,因此,它们分离结晶不能显著地使花岗质熔体中的镁同位素产生分馏^[16-17]。藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石中主要含镁矿物是角闪石和黑云母,本次研究采集的三套岩石样品δ²⁶Mg与MgO、SiO₂含量缺乏明显相关性(图3c,d),表明镁同位素在矿物分离结晶过程中未产生明显分馏。因此,笔者与前人研究^{[16-17,69⇓-71]}结果相一致,认为埃达克质岩浆分异过程中(角闪石和黑云母)也不产生镁同位素分馏。

4.3 热液蚀变

驱龙斑岩铜矿床作为典型的热液型矿床,岩石热液蚀变往往伴随着矿物交代和元素迁移,进而导致元素在原子尺度上的成键环境可被显著改变,最终可能引起同位素分馏^[72⇓-74]。本次研究的花岗岩斑岩中存在大量蚀变矿物(图2c,d)以及更高的(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i,表明岩石受到了热液蚀变的影响^[27]。钾镁同位素作为流体活动性元素,具有极强的流体活动性,热液蚀变很有可能会改变岩石的钾镁同位素组成^[74]。

相比闪长质包体、花岗闪长岩而言,花岗斑岩中的流体敏感指标Rb/TiO₂明显增大(图7a,b),为花岗斑岩中有流体加入提供了有力支持,这表明花岗斑岩演化过程中受岩浆热液流体共同作用。前人研究利用Nb/Ta作为岩浆分异指标^[75],驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石演化期间Nb、Ta持续亏损,自闪长质包体-花岗闪长岩演化过程中,δ⁴¹K与Nb/Ta呈明显正相关关系,表明岩浆演化前期闪长质包体-花岗闪长岩中的钾同位素分馏是岩浆分异导致的,跟热液流体无关。然而,在岩浆演化后期花岗斑岩演化期间Nb/Ta变化较小,δ⁴¹K与Nb/Ta无明显相关关系(图7c)。整体上花岗斑岩的钾同位素分馏明显高于前两套岩石样品,并且部分样品(601-313和001-362)的δ⁴¹K呈不规律的显著波动(图7c)。上述瑞利分馏模型计算结果也表明,花岗斑岩中的钾同位素分馏仅靠矿物分离结晶难以实现。综上,花岗斑岩中的钾同位素分馏是岩浆热液共同作用的结果。3套岩石样品中δ²⁶Mg与Nb/Ta无明显相关性(图7d),表明岩浆分异过程中驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石的镁同位素不发生显著分馏。因此,花岗斑岩中部分岩石样品(001-362和601-305)中镁同位素组成显著波动与热液流体相关。

4.4 钾镁同位素对驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区的制约

前人通过对藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石样品开展主微量、Li-Pb-Sr-Nd同位素等研究^[27],研究结果显示,3套岩石样品具有高度相似的稀土和微量元素组成(图8a,b),表明闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩是来自同一源区不同演化阶段的产物,演化顺序为:闪长质包体—花岗闪长岩—花岗斑岩^[27]。3套岩石样品中,闪长质包体在驱龙中新世岩浆系统中形成时间最早^[25],记录了驱龙最早的中新世岩浆活动,可近似代表驱龙铜矿埃达克质岩岩石深部岩浆房的组分特征。前人研究^[27]表明,闪长质包体中锂同位素组成变化范围较大,δ⁷Li与放射性同位素Sr-Nd缺乏明显相关性(图8c,d)。同时,该套岩石的Pb-Sr-Nd同位素等地球化学特征与先前发表同一地区的数据相似^{[25,76⇓⇓-79]}(图8a,b),表明藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石起源于加厚镁铁质新生下地壳的部分熔融^{[24-25,27,80]}。

闪长质包体中的镁同位素在多个复杂的地质过程中,未发生显著分馏。因此,闪长质包体的镁同位素组成可以代表藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区的镁同位素组成。闪长质包体的δ²⁶Mg组成为-0.36‰~-0.19‰,介于大陆下地壳(δ²⁶Mg=-0.76‰~0.19‰^[57])和地幔(δ²⁶Mg=-0.25‰±0.07‰^[56])的镁同位素组成范围内(图3c,d),表明藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区(即新生下地壳)可能有岩石圈幔源熔体的加入。值得注意的是,相比其他两套岩石,闪长质包体具有最重的δ⁴¹K组成(-0.38‰~-0.22‰)且整体高于地幔(δ⁴¹K=-0.42‰±0.08‰^[9])(图3a,b)。一方面,目前大陆下地壳没有确切的钾同位素组成报道,或许大陆下地壳具有比地幔更重的钾同位素组成;另一方面,驱龙斑岩花岗质岩石源区地幔受俯冲板片来源流体/熔体的交代影响,有可能导致源区的钾同位素组成发生改变。前人研究表明,藏南驱龙斑岩铜矿床岩浆源区经历了强烈的俯冲流体交代作用^[80]。玄武质洋壳俯冲过程中,释放的镁同位素有限^[16-17]。然而,重钾同位素在俯冲洋壳脱水过程中会优先进入流体^[81-82],富含重钾同位素的流体交代富集地幔,最终可能会导致闪长质包体中具有重的钾同位素组成。因此,闪长质包体中更重的钾同位素组成,可能是藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区有岩石圈地幔衍生富钾熔体加入的体现。此外,闪长质包体的δ⁴¹K、δ²⁶Mg与放射性同位素Sr-Nd也缺乏明显相关性(图7),表明藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区烃源岩具有不均一的钾镁同位素组成,再为岩石源区(加厚镁铁质新生下地壳)有俯冲流体交代和岩石地幔熔体加入提供了新证据。综上,闪长质包体中钾镁同位素组成为驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石的来源及演化过程提供了新的约束。

4.5 驱龙斑岩铜矿床成矿物质来源及其金属富集机制

前人研究^[33,83]表明,产生冈底斯新生代埃达克质斑岩的最大可能性是加厚镁铁质新生下地壳部分熔融。早期幔源弧岩浆在地壳底部大规模底侵固结,局部发生堆晶(如堆晶角闪岩),形成富含金属硫化物的新生下地壳^[78,84-85]。伴随新生下地壳(如石榴石角闪岩)部分熔融,与板块撕裂或断裂有关的软流圈地幔上涌^[86],在相对富水和高氧逸度的环境下,触发了含硫化铜堆积体的重熔或分解,为岩浆提供大量的金属铜^[84,86]。本次研究中,在闪长质包体-花岗闪长岩演化期间硫化物未饱和^[27],花岗斑岩演化期间铜才大量富集。花岗斑岩演化过程中受岩浆热液共同作用,铜的络合物在流体和熔体之间具有的高分配系数^[87],因此,在岩浆演化过程中矿物分离结晶和热液流体作用都有可能改变岩石中的铜含量。相比而言,花岗斑岩比前两套岩石具有更显著的钾镁同位素组成变化,花岗斑岩中的钾同位素组成与铜含量之间呈负相关关系(图10a),镁同位素组成与铜含量之间呈正相关关系(图10b),流体敏感指标Rb/TiO₂与铜含量之间也呈正相关趋势(图10c),岩浆分异指标Nb/Ta与铜含量则无明显相关性(图10d),表明热液流体导致了花岗斑岩中铜显著富集,并且同时改变了花岗斑岩中的镁钾同位素组成。

先前对藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石的锂同位素研究^[27]也表明,矿物分离结晶难以实现花岗斑岩中如此大量的铜富集,热液流体是导致花岗斑岩中铜大量富集的主要原因(图11a)。同时,热液流体也改变了花岗斑岩中的锂同位素组成(图11b)。

藏南驱龙斑岩铜矿床和江西德兴斑岩铜矿床具有类似的岩石成因,它们作为典型的热液型矿床,在热液蚀变过程中岩石的钾镁同位素均产生了分馏(图12)^[74]。钾镁同位素作为一种新型地球化学示踪工具,在矿物和流体之间、不同热液流体之间有复杂的分馏机制,可以区分复杂热液体系中不同性质(盐度和温度)的地质流体^[74]。石英中流体包裹体的发现^[20],表明含水硅酸盐熔体的连续分离结晶可能有利于流体饱和岩浆演化后期的出溶作用。藏南驱龙斑岩铜矿床花岗斑岩中的钾同位素受岩浆热液共同作用,导致其钾同位素组成变化较为复杂。整体上δ⁴¹K与铜含量呈负相关,部分岩石样品的δ⁴¹K波动较大(图10a)。然而,花岗斑岩中含镁矿物较为单一,并且δ²⁶Mg与镁含量之间也无明显相关性^[27](图10b)。因此,藏南驱龙斑岩铜矿床花岗斑岩中不同矿物之间镁同位素分馏与热液蚀变元素迁移过程中可能产生的瑞利分馏影响可能都比较小。前人实验表明,铜的溶解度随着流体盐度的增加而显著增大^[27,88]。岩浆热液由高度演化的花岗质岩浆流体出溶形成^[89],出溶流体的成分受出溶压力和岩浆成分的控制,通常包括从岩浆房(温度约700 ℃,深度≥6 km)直接出溶的超临界流体^[90-91]和浅成侵位的斑岩体(1~6 km)中出溶的流体^[92-93]。德兴斑岩矿床大部分蚀变岩钾镁同位素值都高于新鲜岩浆岩,可能受到了至少三种不同的热液流体作用,具有更显著的钾镁同位素组成变化^[74](图12a)。相比之下,藏南驱龙斑岩铜矿床花岗斑岩的钾镁同位素大部分位于岩浆岩基线值范围内,花岗斑岩中部分的δ⁴¹K、δ²⁶Mg部分值在岩浆岩基线值小范围上下波动(图12b)。笔者推测,藏南驱龙铜矿花岗斑岩中钾镁同位素的不规律变化,可能反映了藏南驱龙斑岩铜矿床花岗斑岩受到至少两种及其以上不同性质(盐度和温度)的热液流体作用,这些流体可能是高盐度富液相与低盐度富气相的深部岩浆房超临界流体和不混溶的低盐度气相和高盐度卤水相浅成斑岩流体,两相不混溶的高盐度流体和后期大气降水的输入导致岩体蚀变^[94,96]。综上,岩浆热液出溶流体与斑岩侵入体的相互作用,不仅通过降温导致硫化物的沉淀,诱导了铜矿化^[27,97-98],并且改变了驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石的钾镁同位素组成。

5 结论

(1)闪长质包体、花岗闪长岩和花岗斑岩的δ⁴¹K组成分别为-0.38‰~-0.22‰、-0.43‰~-0.34‰和-0.59‰~-0.36‰。整体上δ⁴¹K与K₂O和SiO₂含量呈明显负相关趋势,钾同位素发生了分馏,这很可能是角闪石和斜长石的分离结晶导致熔体中钾同位素降低,而花岗斑岩中明显的钾同位素变化则受岩浆热液共同影响。

(2)相比而言,3套岩石的镁同位素组成比较类似(闪长质包体:-0.36‰~-0.19‰;花岗闪长岩:-0.28‰~-0.13‰;花岗斑岩:-0.44‰~-0.13‰),并且落在了地幔和下地壳的镁同位素组成范围之间。这3套岩石的δ²⁶Mg跟MgO和SiO₂含量之间不存在明显相关性,表明埃达克质岩浆分异过程中(角闪石和黑云母)也不产生镁同位素分馏,与前人对花岗岩中镁同位素分馏行为的结论一致。

(3)闪长质包体中钾镁同位素组成特征,为藏南驱龙斑岩铜矿床埃达克质岩岩石源区(即加厚镁铁质新生下地壳)有俯冲流体交代和岩石地幔熔体加入提供了新证据;花岗斑岩中钾镁同位素组成显著变化,可能指示了有不同物理化学性质(温度、盐度)的热液流体活动。

感谢杨竹森、许伟、刘涛、陈露和张慧娟在野外采集样品中提供的帮助!感谢华盛顿大学滕方振教授和中国科学院地质与地球物理研究所田恒次副研究员在室内分析测试和论文撰写过程中提供的无私帮助和悉心指导以及编辑部老师和审稿专家对本文提出的宝贵意见!

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基金资助

科学技术部国家重点研发计划“战略性矿产资源开发利用”专项“我国西部伟晶岩型锂等稀有金属成矿规律与勘查技术项目(2021YFC2901900)”

科学技术部国家重点研发计划“战略性矿产资源开发利用”专项“北喜马拉雅锂等稀有金属找矿预测与勘查示范课题(2021YFC2901903)”

中国铀业有限公司-东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目(2022NRE-LH-05)

自然资源部深地科学与探测技术实验室开放课题(SinoProbe Lab 202217)

江西省“双千计划”创新领军人才长期项目(2020101003)

江西省自然科学基金重点项目(20224ACB203011)

东华理工大学高层次人才引进配套经费(1410000874)